關于《機械優化設計》教學的實施與思考

王靜　孟廣耀

摘要：《機械優化設計》是機械設計制造類本科專業的專業基礎課，是數學規劃與計算機技術高度結合的學科。本文論述了將機械設計類課程相結合的必要性和在實際教學中課程設計的實施與效果，并討論了《機械優化設計》課程的重要性。

關鍵詞：《機械優化設計》；課程設計；《機械設計》課程體系

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）08-0212-02

一、國內教學現狀

《機械優化設計》是機械設計制造類本科專業的專業基礎課，是數學規劃與計算機技術高度結合的學科。本課程通常以理論教學為主，涉及的數學知識與優化算法較多，其內容理論性強，又很抽象，不易理解，導致學生學習該課程的熱情普遍不高。江蘇大學是國內較早開始《機械優化設計》課程的學校之一。馬履中等[1]在教學改革中，將教材內容不斷更新、注意優化軟件建設，不斷更新和自編新的優化軟件，注意教學手段的改革，積極推行多媒體教學及雙語教學；注意收集學生的優秀作業、應用實例、優化軟件。長江大學汪建華等[2]重視對學生知識應用能力和實際操作能力的培養，以適應社會需要為目標，著重“應用”二字，以“應用”為主旨和特征構建教學內容，重視對學生的技術應用能力的培養。教學中引入Matlab優化工具箱，減少學生編程與調試的工作量，將課程教學重點放在數學模型的建立上，優化方法的選擇，以及Matlab優化工具箱中優化函數的使用上，使學生既學到了優化的思想與理論方法，又能夠把實際決策問題用數學建模的方法轉化為優化模型。河南工業大學武照云等[3]加大實驗環節的學時安排（10學時左右為宜），開發基于Matlab的算法程序庫，運用面向對象的程序語言Visual Basic進行軟件開發，采用算法可視化技術。何亞銀[4]開展課堂板書、多媒體教學和網絡教學相結合的授課方式，將《機械優化設計》與C語言相結合，通過C語言編程來實現相關算法。目前國內外的機械工程教育向著復合型人才和工程應用能力培養的趨勢發展，學生不僅需要有堅實的數理科學知識，同時需要工程實踐方面的訓練，強調理解知識、掌握學習的方法、培養獨立分析與解決工程實踐問題的能力。機械設計類現行的且已延續了幾十年的教學方式中，《機械原理》、《機械設計》的課程及課程設計四個教學環節孤立地完成，教學內容不連貫，學生接受《機械設計》的有關知識和技能缺乏系統性。傳統的機械產品開發方法中，其設計、制造及檢測環節相互獨立，嚴重脫節，須反復進行產品樣機的試制—檢測—修改設計。即使這樣，一些嚴重的結構缺陷及設計原理、基本參數的錯誤在設計階段也往往不能及時被發現，有的到了產品開發的后期或正式生產時甚至在投入使用一段時間后才發現，有時產品還不得不返回到設計構造階段以便進行必要的設計變更。這樣的產品開發程序效率低，浪費了大量時間、人力和資金。目前，《機械優化設計》的教學方法仍然有很多值得探索的地方。如何提高學生的學習積極性，擺脫傳統的以講授數學原理為主的教學方法，對本課程的教學內容、教學模式、教學手段進行改革，已經勢在必行。

二、我校開展《機械優化設計》的實踐與總結

本課程所依托的《機械設計》課程為山東省精品課程，所在教學團隊為省級團隊。長期以來，青島理工大學機械工程學院《機械設計》教研室在林晨老師和楊志強老師的領導和帶動下，具有良好的教學研究基礎和傳統。《機械優化設計》課程教學的順利執行，必需與《機械原理》和《機械設計》課程相結合。為了推進該課程的教學，我們在《機械原理》課程的教學中即引進優化設計的理論，即在平面連桿機構設計這部分教學時，初步講授優化設計理論。2012年我們選用了清華大學出版社出版、李萬祥老師主編的《工程優化設計與MATLAB實現》[5]這本書，筆者和同學普遍感覺挺好。該書的優點在于對應每一個算法，都附有相應的MATLAB程序。學生可以在掌握算法的基本知識點以后，利用這些程序上機操作。MATLAB語言簡潔，代碼靈活，具有極其豐富的庫函數資源，并且對代碼的書寫形式沒有很嚴格的限制，同時利用豐富的庫函數簡化了子程序的編寫任務；具有功能強大的圖形功能，可以將計算結果生成圖形或進行運動仿真。傳統教材僅介紹算法。程序需要學生自己編寫。這對于我們僅有32學時的選修課來說，要求學生編寫簡單的程序是可能的，但是要書寫較長的、本身就比較復雜的算法是不容易的。筆者長期從事數值模擬工作，在實踐中發現，教給學生掌握編程技術最簡單高效的方法，就是給學生現成的程序，然后在其基礎上進行修改。在上課過程中，采用多媒體教學方法，并安排4～6學時的上機學時。在教學過程中，為了讓同學對優化設計方法的應用有更深的認識，要求學生對機械產品的優化設計情況、先進的優化設計方法等方面進行調研，并通過圖書館“維普數據庫”查閱文獻資料，書寫讀書報告。課程進行過程中，結合平行進行的《機械設計》課程的內容，讓同學們進行軸和帶傳動的優化設計等計算。在課程結束時，結合平行進行的減速器的課程設計，要求同學使用優化理論對減速器進行設計。同學們最開始都覺得比較難，經任課教師答疑，他們最終調試好程序，計算出優化后的結果，同學們普遍有豁然開朗之感。根據以上的教學思想，這樣就可以簡單方便地把《機械原理》、《機械設計》和《機械優化設計》這三門課程有序地結合起來。

三、思考

數學語言描述了機械工程中的各類現象，所以《機械優化設計》這門課給出了各種數值計算方法及相關數學模型。但學生在學習課本前面的數值方法時往往容易糊涂。所以我們在講授這門課時，必須先提出工程實際問題，然后再根據實際問題提煉出數學模型，再進行求解。這門課的理念，應該不只局限于機械產品的優化設計本身。優化設計的教學目的并非只是教給學生如何建立數學模型，甚至是如何編程并上機，最終的目的應是為了解決實際工程問題，并在生活和工作中貫徹優化設計的理念，給生活和工作提供方便。優化設計的理念在《機械設計》中可以應用到各個方面，并且和其他先進設計方法如摩擦學設計、可靠性設計、系統設計相結合。比如，能源短缺問題已成為世界各國密切關注的重要問題。我國的能源形勢十分緊張，能源供需矛盾突出。受技術水平制約，我國許多能耗設備效率較低，在能源緊張的同時還存在著比較嚴重的浪費現象。因此，節能是我國國民經濟發展中的長期戰略任務。那么如何能夠設計出節能的機械，哪怕只節省1%，那么節省的能源數量也是驚人的。教學的目的是為了工程實際應用，而不是與工程實際脫節。所以在接下來的教學過程中，筆者設想，應該增加與工廠生產實際相關聯的設計題目。而且作為教研室的教學儲備，打算以本科生畢業設計的形式做一些優化設計的工程題目。這個難度要求雖然更高，但比較有意義。

參考文獻：

[1]馬履中，楊啟志，尹小琴，等.“機械優化設計”課程教學改革[J].江蘇大學學報，2003，25（4）：95-97.

[2]汪建華.袁新梅.《機械優化設計》課程教學改革與探索[J].長江大學學報（自然科學版），2011，8（10）：119-121.

[3]武照云，劉曉霞，劉楠皤，李麗.《機械優化設計》課程教學研究與改革[J].機械管理開發，2011，（1）：190-191.

[4]何亞銀.《機械優化設計》課程教學研究與實踐[J].機械管理開發，2009，24（2）：148-149.

[5]李萬祥.工程優化設計與MATLAB實現[M].北京：清華大學出版社，2011.